季节性冰蓄冷技术在空调系统中的应用研究

李高锋， 马忠龙， 肖晟昊， 罗清海

(南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 421001)



季节性冰蓄冷技术在空调系统中的应用研究

李高锋， 马忠龙， 肖晟昊， 罗清海

(南华大学 城市建设学院，湖南 衡阳 421001)

介绍季节性天然冰蓄冷技术的研究与发展现状，对一种季节性天然冰蓄冷技术进行技术可行性探讨.季节性天然冰蓄冷技术用于建筑空调既有节能和环保方面的优势，也存在技术实施的制约因素.通过典型建筑冷量平衡计算表明，在部分寒冷及夏热冬冷地区,季节性天然冰蓄冷技术具有较好的发展前景.图2，表1，参18.

季节性；天然冰蓄冷；时域性；蓄冷方案；适用性

人类对自然冷能的利用历史久远，古希腊、伊朗和我国商周时期，即有冬季取冰存于冰窖，用于冷藏食物和夏季宫廷降暑[1-3].

传统的冰蓄冷空调技术,利用昼夜电价差政策，具有良好的社会经济效益[4].但是增加了能量的转化过程，造成了一次能源的浪费，因此从根本上来说并没有节约能源[5].

我国地域广阔，不同地区气候差异大，建筑节能措施应充分考虑其时域性[6].在我国部分地区，冬季寒冷，夏季炎热，存在丰富的气候能源.若将冬季的天然冷能储存起来作为夏季空调的冷源使用，将从根本上节约能源，改善生态环境.该文基于“冷热能跨时空利用”的思想，提出一种新型的适用于部分寒冷及夏热冬冷地区的季节性天然冰蓄冷技术.

1 季节性天然冰蓄冷技术的发展

季节性天然蓄冷空调技术出现很早，例如商周时代即有冬季取冰存于冰窖，用于夏季宫廷降暑[1].但运用现代科技发展自然能的空调蓄冷技术却是近三十年的事情，日本、美国、瑞典和中国等国家致力于季节性天然蓄冷技术的研究[2,7～13].1985～2000年，日本在全国范围内建立了50多个季节性冰雪蓄冷工程用于夏季供冷，这些工程涉及到冰雪蓄冷技术的各种应用形式[9].1979年冬，普林斯顿大学在Forresel中心建成了一个正方形试验性冰池.用于附近建筑物来年夏季供冷[10].1985年，D.L.Kirkpatrick[11]进行了季节性蓄冰池供冷的实验研究，蓄冰池承担空调面积达到了12 000 m2.在2001年～2002年，瑞典松兹瓦尔区医院季节性雪蓄冷系统的实测结果显示，系统的COP值为10～20[2,7].

我国对季节性天然蓄冷空调技术的研究仅限于探讨阶段[5,9].2010年,余延顺副教授建立了圆柱形地下储库热过程的数学模型,将该模型应用于北京市四类典型建筑特征参数的计算，得出储存期间冷量损失均低于10%[14].

2 天然冰蓄冷技术可行性探讨

2.1 蓄冷方案

1)蓄冷介质.蓄冷介质应该具有蓄冷潜热大，相变过程发生快，相变温度高，无污染，廉价和易于获取等优点.目前，常用的空调蓄冷材料包括水、冰、土壤、共晶盐、气体水合物和有机相变材料等.

2)蓄冷空间.季节性天然蓄冷空调技术是将冬天的冷量储存至夏季使用，需要足够大的蓄冷空间和良好的保温隔热措施.充分考虑经济因素的前提下，为了达到系统运行时的冷量平衡，将蓄冷空间设在地下是一种非常好的选择.一方面合理利用土地资源；另一方面充分利用土壤的保温性能.

3)蓄冷模式.对于利用气候冷能蓄冷主要有两种模式：一种是利用自然条件下形成的冰雪蓄冷.该模式是指人工在蓄冰池中注入适量水，然后将自然条件下形成的冰雪投入蓄冰池中，利用热管制冰技术[16]将冰水混合物冻结.此种做法可以消除由于雪的密度小和冰块间排列不紧密等情况造成的蓄冷量减小.该模式具有设备少，操作简单，成本低等优点.但是该模式需要人工收集冰雪，此外，由于蓄冰池较深，将冰雪投入蓄冰池时容易损坏蓄冰池中的取冷设备.该模式适用于水源充足或降雪量大的地区.

另一种是利用冬季的低温环境，人工制冰蓄冷.该模式需预先在蓄冰池中和室外布置大量换热盘管，在盘管中通以抗冻性水溶液(如乙二醇).冬季,换热盘管里冷媒经过室外的换热器充分换热、降温后,经冷媒循环泵进入蓄冷盘管与蓄冰池里的水换热,使其发生相变,从而实现蓄冷.该模式具有可全自动蓄冷等优点.同样也具有系统复杂,可靠性要求高,有蓄冷介质相变膨胀问题需要解决,需要二次换热,有辅助设备耗能,初投资较大等缺点.该模式适用于冬季气温很低的地区，对于自动化要求较高的场合.

2.2 可行性分析

1)冷量平衡分析.哈尔滨市某体育馆占地面积为6 673 m2，总建筑面积为15 228 m2，空调面积为10 932 m2，设计冷负荷为3 614.8 Kw.计算得深5 m，半径10 m的圆柱形地下储冰库储存冷量可供使用小时数见图1.储存180 d时，储存冷量可供使用87.9 h；如果每次赛事比赛区中央空调系统运行6 h，可供使用14.6次.

图1 哈尔滨可使用小时数Fig.1 The available hours in Harbin

石家庄市某体育馆占地面积为2 450 m2，总建筑面积为6 270 m2，中央空调面积为5 352.77 m2，设计冷负荷为850.365 Kw.计算得深5 m，半径6 m的圆柱形地下储冰库储存冷量可供使用小时数见图2.储存210 d时，储存的冷量可供使用121.4 h；如果每次赛事比赛区中央空调系统运行6 h，可供使用20.2次.

图2 石家庄可使用小时数Fig.2 The available hours in Shijiazhuang

2)时域适应性.季节性天然蓄冷空调技术是依据节能技术时域性特点提出的一种新型可再生能源利用技术，有很强的地域限制.由表1[17]可看出，该技术用于不同地区时，系统经济性差异很大.

受气候条件、蓄冷空间和经济性限制，该技术适用于冬季自然冷能丰富，夏季空调总冷负荷不太大的地区.所以该技术应该适用于部分寒冷地区及夏热冬冷地区.

表1 美国不同地区季节性冰蓄冷技术的经济性比较Tab.1 The economic comparison of seasonal ice storage technology in different areas in America

目前，全国各城市普遍面临着建筑用地紧张的难题.这极大地限制了季节性天然蓄冷空调技术的推广应用.但是机场，体育馆等大型公共建筑，具有占地面积大，地下空间利用率低等特点，能够为季节性天然蓄冷空调技术的实施提供适合的蓄冷空间.因而季节性天然蓄冷空调技术特别适用于机场、体育馆、剧院等大型公共建筑.

3 技术特点

季节性天然蓄冷空调技术是基于“冷热能跨时空应用”的思想，充分考虑节能技术的时域性特点的一种新型可再生能源利用技术.该技术充分利用寒冷地区冬季温度低的气候特点,为空调系统提供了一种廉价的低温冷源,实现了建筑物空调冷负荷的季节性转移.季节性冰雪蓄冷技术主要有以下几个方面的优点:

1) 冰雪的蓄冷能力强，每立方米的冰蓄冷量可达到100 Kw·h[9].

2) 与电制冷空调相比，季节性天然蓄冷空调系统能效比很高，可达到10～20[2,7].

3) 制冷成本低、环保、低噪声[18].

尽管季节性天然蓄冷空调技术有很多优点，但是从目前国内外研究实践的现状来看，仍然存在一些缺点制约该技术的发展：

1) 由于本系统需要很大的蓄冷空间和良好的保温隔热措施，所以初投资比传统电制冷系统高.

2) 对地区气候特点的依赖性很大.地区气候直接影响蓄冷速率，蓄冷量，蓄冷成本和保温成本等.

3) 保温隔热措施不良时冷量损失很大.锯屑保温层厚度为0.2 m时,年冷量损失占总存储冷量的40% ,厚度为0.1 m时,年冷量损失达到60%[2].

4) 换热设备布置复杂,设备检修维护困难，对系统安全可靠性要求高.

4 结 语

季节性天然冰蓄冷技术适用于部分寒冷地区及夏热冬冷地区，是可再生能源跨季节蓄存和综合利用的新探索，有利于缓解北方夏季短期供冷难题.现阶段以及未来的研究重点应主要集中在地下冷量存储技术以及与传统的电制冷技术及蓄冷技术相结合的系统形式及运行模式的研究.

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Biography：LI Gao-feng,male,born in 1990,Postgraduate,Engaged in building energy-saving and renewable energy technology.

Research on Seasonal Ice Cold Energy Storage Technologyin Air Conditioning

LI Gao-feng, MA Zhong-long, XIAO Sheng-hao, LUO Qing-hai

(School of Urban Construction,University of South China,Hengyang 421001,China)

This paper introduces the status and development of seasonal natural ice storage technology.It also explores its technical feasibility.Seasonal natural ice storage technology not only saves energy saving but also protects environmental.However,there are some factors that limit it.Based on calculation of cool energy balance in typical buildings,seasonal natural ice storage technology has a good prospect in some cold areas and some areas where it is hot in summer and cold in winter.2figs.,1tab.,18refs.

Seasonal,Natural Ice Cold Energy Storage,Time-Domain Characteristics,Applicability

2015-03-09

国家自然科学基金项目(编号：51006050)；衡阳市社会科学基金重大课题(编号：2013A03)；湖南省教育厅科学研究项目(编号：13C329).

李高锋(1990-)，男，河南平顶山人，硕士研究生，研究方向：建筑节能与可再生能源技术.

2095-7300(2015)01-032-04

TK513.5

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